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第64章 渐开线齿轮(庆春节及推荐票满千,今明两日十更,此为第一更)

1255再铸鼎 修改两次 2866 2020.01.24 00:11

  1257年,八月十八,东海堡。

  中秋节刚过,东海人没时间沉浸在节日气氛中,立刻又投入了工作。

  工业部办公楼,武备组的实验室中,季国风、林小雅、段明远三人正围着一个软泥捏出来的火炮模型研究着。刚才,他们把这个泥炮装上了少许火药引爆,试图通过观察炮体膨胀的情况来研究膛压的变化,以改善火炮设计。

  “唔……十五厘米的位置应该加一道加强筋,别的我看就不用大改了。”季国风摸着炮身说。

  “我也觉得这样,再修改下去也未必能改善多少,不如试造一门看看先。”段明远附和道。

  “等等,”林小雅看了看炮口,若有所思的样子,“我一直有个疑问。火炮是口径越大威力越大没错吧,但是炮弹动能不是和装药量正相关吗?如果是小口径、大壁厚的火炮,使用与大口径火炮相同的装药量,威力不是一样的吗?”

  “呃,”季国风看了看她,她自从对火炮产生兴趣之后,就经常冒出一些角度新颖的想法,“是这样没错,但是小口径有两个不利因素。一是速度快了之后,炮弹在炮膛内停留的时间也会缩短,这样既不利于火药的充分燃烧,也不利于炮弹的充分加速,所以即使装药量相同,小炮弹的初始动能也会比大炮弹低一些;二是出膛初速高了之后,空气阻力会急速增大,动能快速衰减,所以即使初始动能一样,小而快的炮弹在远距离上的威力也不如大而慢的炮弹。两个因素相加,小口径自然就比不过大口径了。”

  “哦,原来如此,”林小雅一副恍然大悟的样子,然后又想起了什么,“那如果换密度更大的炮弹,是不是能增大小口径火炮的威力?”

  季国风摇头道:“你是说把铁弹换成铅弹吗?确实会有作用,不过铅要比铁贵上不少,而且弹道还要重新标定,有些麻烦……”

  段明远也说道:“而且铅是软的,高膛压发射的话会变形,影响弹道稳定性。火枪百多米打打问题不大,但换几百米的火炮就有问题了。”

  “是这样啊。”林小雅仍锲而不舍,“那么如果把铁炮弹做成空心的,里面灌铅怎么样?这不就不变形了?”

  季国风笑道:“但这样有什么意义呢?一颗炮弹而已,这么一搞成本比纯铅弹都贵了,性价比太低啊。与其折腾这点心思,还不如干脆做个大口径的炮呢。”

  林小雅白了他一眼:“这不我们铸不出大管子只能研究这些小炮嘛,所以我才想着怎么在炮弹上做文章啊。”

  季国风一愣,刚准备说点什么,隔壁突然传来一阵大笑声,随后就是连续的高喊:“我算出来啦,我算出来啦,原来如此,居然这么简单!”

  段明远和林小雅都是安全部的人,对工业部的其它业务不太熟悉,听到之后有些奇怪。而季国风却一下子激动起来,跑出门去,一边跑一边喊:“老孙,你真算出来了?”

  两人跟着去了隔壁,见到机械组的孙清南拿着几张稿纸递给季国风,激动地说:“总算是算出来了,真没想到,居然是这么简单,只要一根长直齿滚刀就能加工了,我们终于能生产渐开线齿轮了啊!”

  季国风接过稿纸,看了一遍,同样发出恍然大悟的声音,拉着孙清南说:“老孙,赶紧准备试制,你要什么资源我给批什么。”

  林小雅还是有些一头雾水,段明远却已经明白了,他这是终于把渐开线齿轮的制造原理给搞定了啊。

  渐开线齿轮,非工科人士可能不太清楚,但后世工科课程中这是必学的一课。这种齿轮具有连续平滑的齿面,能够使啮合的齿轮以稳定的角速度转动,对机械设计有着重要意义。

  普通人印象中的齿轮,大多是一个圆盘上排列着许多矩形的轮齿,实际上早期齿轮也确实是这样的。但是想象一下,齿轮做的是圆周运动,而矩形齿是有棱有角的,这样的齿轮转动起来必然是不顺滑的,轮齿之间相互碰撞摩擦会导致传动一顿顿的。低精度条件下可以无视,但一旦对精度有了追求,这一点就必须重视起来了。

  如果把轮齿做成弧形的,就能改善这样的卡顿,但是具体应该是怎样的弧形?简单的圆形?还是特殊的椭圆?还是抛物线或者别的曲线?

  历史上的机械学家早就用几何学计算出了最佳方案,那就是渐开线曲线。(此处省略若干字)。

  以渐开线为形状制造的两个齿轮,可以始终稳定地啮合在一起,把齿轮传动变得像两根传动轴直接摩擦传动一样顺滑。

  这是工科人士的常识,但是常识归常识,后世又不用亲自制造齿轮,只要选择合适的齿轮买回来组装就行了,所以渐开线这些知识考完试就还给老师了。工业部的这群二把刀们,虽然一个个都知道渐开线齿轮的必要性,但楞是一个记得渐开线是什么的都没有,更别说如何制造了。所以之前机械组制造的机械,都尽量避开齿轮传动的设计,实在无法避免的时候,才拿直齿齿轮凑合一下,在傻大粗黑的时代也勉强能用了。

  但这终究不是长久之计,机械组的组长孙清南从去年开始就在试图推导渐开线的原理。他几乎从欧几里得几何学开始,把整个古典几何学体系重新推导了一遍,为东海觅天台和文化部贡献了不少教材。到了今天,终于把渐开线原理推导出来了!

  当公式写在纸上的时候,才发现一切居然是这么简单。就连曾经发怵的加工方式,也只不过是一把直齿的滚刀罢了。

  ……

  十六天后,东山工坊。

  “老孙,你们这刀怎么就一个齿啊?”季国风指着一台简陋的机械,转过头来问孙清南。

  “没办法,我们的加工水平你还不清楚?想做出后世那种多齿的花式滚刀几乎是不可能的,只能先做一个齿,多转几圈吧。”孙清南耸耸肩,无奈地说。

  工坊中今天挤了不少人,工业部几乎全来围观机械组的第一次渐开线齿轮加工了。这些天来,机械组777工作,好不容易拼出一台齿轮加工机械。这齿轮加工说起来简单,做起来难,要保证刀具和工件按一定的速比相对转动,实在是不容易,机械组不得不采用了不少旧式的直齿轮,误差很大,只能勉强实验用。

  孙清南拿出一片穿孔的木圆片,固定在一根转轴上,然后转动起齿轮机右侧的动力转盘来。转盘带动机械内部的齿轮组,使上方的刀具快速旋转起来,而下方的木圆片则缓慢地转动着。两者转动方向互相垂直,接触后,刀具很快在木片上切出一个小口,然后快速转动切割不断将切口扩大。过了一会儿,随着动力转盘的不断转动,木片上一个个轮齿渐渐显现出来,有了齿轮的模样。等到木片转完一整圈,齿轮差不多就成型了,但孙清南继续转着让刀具对它进行修整,一直让它转了三圈,才取下来,交给围观群众传看,又开始加工第二个木齿轮。

  由于机械的精度问题,这个木齿轮很不完美,轮齿边缘很粗糙,偶尔还能找到两个小缺口,仔细看的话,每个齿的大小都略微有些区别。但即使是这样的齿轮,也比之前粗制滥造的直齿齿轮强多了。等孙清南加工出第二个木齿轮之后,季国风把两个齿轮套到两根轴上,然后靠近相互啮合,随意拨了一下,两个齿轮顺滑地转动起来,围观群众禁不住鼓起了掌。

  由于加工技术和材料的限制,机械组现在只能加工容易切削的木齿轮,而且精度还不怎样。下一步,他们计划批量加工一批,选出最好的,用这些刚加工出的渐开线齿轮去替代齿轮加工机中的直齿齿轮,以提高加工精度,之后再把这个过程重复几次,等到精度提升到一定程度之后,再尝试加工软金属例如铜质的齿轮。铜齿轮的稳定性将比木齿轮有较大的提升,到时候可以再次回头提升加工机械的精度,之后再用来制造更精确的刀具和齿轮。

  这样反复迭代的过程可能要持续数月甚至数年,直到做出高效率的刀具和加工机械、培养出熟练的工匠之后,渐开线齿轮才能大量采用。

  虽然痛苦、漫长又无奈,但这就是工业发展的必经之路啊。

  

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